研究成果

“分道揚鑣”背後的物理—物理所《複雜系統組》關於“梯度場”之研究成果甫獲刊於PHYSICAL REVIEW LETTERS

刊登日期:2014-02-27

當我們對棒子的一端加熱,而產生溫度由高到低的梯度,毫無疑問地會迫使棒上的螞蟻一致想朝遠離高溫的方向爬行. 但您可曾想過竟有某種物件在均勻的梯度場中會自動 “分道揚鑣” 的奇異現象嗎?…..

“梯度”(gradient ) 汎指自然界中某種條件 (例如溫度或物質濃度) 隨著空間逐漸變化的現象. 舉凡溫度梯度之下分子在環境中逐漸移動(thermophoresis), 界面上表面張力梯度所誘發之效應 (Marangoni effects), 或生物因應環境的冷熱分佈或食物濃度而遷徙(thermotaxis/chemotaxis), 已在不同領域發展出各具傳統的研究議題。然而物理所複雜系統組近年的研究顯示,即使只是均勻而單向的梯度場及看似平凡無奇的日常物件,就足以產生前所未見的分歧行徑(bifurcations)!

由物理所助研究員蔡日強(JC Tsai)及阮文滔(WT Juan)領導之研究團隊, 以極簡之實驗系統, 發掘振動梯度所呈現的物理. 實驗設計的主要構件僅含一組硬質長軌, 旋轉軸承, 懸吊彈簧, 及輕質電磁線圈, 所觀察的則是日常隨手可得的金屬珠鍊, 旨在讓任何用心思考的大二學生都能理解及參與。研究團隊發現短珠鍊由基態的單向運行(ratcheting) 到振動模態的轉變(transition)呈現出意想不到的豐富現象—尤其是戲劇性的逆向以致“分道揚鑣” 的奇異行為。更進一步的分析顯示這些行為反應了物件尺度和梯度場之間的巧妙互動。值得注意的是, 這種互動在前述多個具悠久傳統的研究領域似乎都未曾被提出來探討, 也暗寓自然界中各種看似單純的梯度場現象尚有更多待發掘的空間。

初步發表內容 (5 pages on PRL): http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.058001 ;
參考短片集錦: http://www.phys.sinica.edu.tw/jctsai/gradient/movies.htm

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期刊連結: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.058001

網站連結: http://www.phys.sinica.edu.tw/index_detail.php?id=research&newsid=351

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